Книга Восемь этюдов о бесконечности. Математическое приключение - Хаим Шапира

Математика тенниса: бесконечность – это сколько?

Версия первая

В 1953 г. английский математик Джон И. Литлвуд (1885–1977) предложил следующий парадокс, известный теперь под названием «парадокс Росса – Литлвуда».

Перед входом в огромную пустую комнату выложен бесконечный ряд теннисных мячей, пронумерованных по порядку: 1, 2, 3, 4… Близится полночь. За тридцать секунд до 0:00 в комнату вносят мячи 1 и 2 и мяч номер 1 немедленно выносят из нее. За пятнадцать секунд (четверть минуты) до 0:00 в комнату вносят мячи 3 и 4, а мяч номер 2 выносят. За одну восьмую минуты до 0:00 в комнату вносят мячи 5 и 6, а мяч номер 3 выносят – и так далее. На языке математики мы бы сказали, что за (½)n минуты до 0:00 в комнату вносят мячи 2n – 1 и 2n, а мяч номер n из нее выносят.

Спрашивается, сколько мячей будет в комнате ровно в 0:00?

Те, кто пытается ответить на этот вопрос, замечают, что возможных ответов существует два, и у обоих почти что поровну сторонников: бесконечно много или ни одного. Как такое может быть? Рассмотрим логические обоснования обоих ответов.

Бесконечно много. В конце процесса в комнате будет бесконечно много мячей, потому что на каждом из бесконечного количества этапов в ней прибавляется по одному мячу (два заносят в комнату, но один из нее выносят). Математики формулируют это утверждение так: для любого n можно точно определить момент, в который число мячей равно n + 1. Следовательно, в 0:00 в комнате окажется бесконечно много мячей.

Ни одного. В 0:00 в комнате не будет ни одного мяча, потому что для любого мяча можно точно указать момент, в который его выносят из комнаты. Мяч номер 1 выносят, когда часы показывают полминуты до полуночи, мяч номер 2 – за четверть минуты до полуночи и так далее. Говоря математическим языком, n-й мяч выносят из комнаты в точности за ½ в n-й степени минуты до полуночи.

Если бы на эту тему проводился опрос, за какой ответ проголосовали бы вы?

Здесь важно понимать – хотя согласиться с этой мыслью может быть немного трудно, – что количество моментов, остающихся до полуночи, бесконечно, потому что оставшийся промежуток всегда можно разделить на два.

Я бы сказал, что правильный ответ – «бесконечно много», и даже рискнул бы утверждать, что те, кто выбирает второй ответ, вероятно, не могут отрешиться от схемы конечных рассуждений. Их стремление узнать, сколько мячей окажется в комнате «в конце» процесса, похоже на стремление узнать, какие числа находятся «в конце» последовательности натуральных чисел, то есть «в конце» ряда 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, …, 12 367, 12 368…

Все мы знаем и понимаем, что множество натуральных чисел бесконечно, и никто на свете не может сказать, какие числа находятся «в конце» их ряда, просто потому, что у этого ряда нет никакого конца.

Интересно отметить, что Блаженный Августин (354–430) полагал, что Бог видит и знает все бесконечное количество натуральных чисел и их свойства и тем самым каким-то образом превращает их в конечное множество (но это, разумеется, лишь точка зрения Блаженного Августина).

Вот две другие вариации парадокса Росса – Литлвуда.

Версия вторая

У нас снова есть бесконечный ряд теннисных мячей с номерами 1, 2, 3, 4… выложенный перед входом в огромную пустую комнату. За полминуты до полуночи в комнату вносят мячи 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 и выбрасывают из нее мяч номер 1. За четверть минуты до полуночи в комнату вносят мячи 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 и 20 и выбрасывают из нее мяч номер 2 – и так далее.

Вопрос, разумеется, остается тем же: сколько мячей будет в комнате ровно в полночь?

В этом случае на каждом этапе в комнату добавляют 10 мячей, а убирают только один, то есть в ней становится на девять мячей больше. Поскольку эта процедура повторяется бесконечное число раз, кажется совершенно ясным, что в полночь в комнате будет бесконечно много мячей (можно даже сказать, девять раз по бесконечно много!).

Головоломка

Можете ли вы сказать, какие именно мячи будут в комнате? То есть номер(а) мячей, которые останутся в комнате.

Версия третья

Перед огромной пустой комнатой по-прежнему выложен все тот же ряд теннисных мячей с номерами 1, 2, 3, 4… За полминуты до полуночи в комнату вносят мячи 1 и 2, причем мяч 2 сразу же из нее выкидывают. За четверть минуты до полуночи в комнату вносят мячи 3 и 4, причем мяч 4 сразу же из нее выкидывают. И так далее. Тот же вопрос: сколько мячей будет в комнате в полночь?

Внезапно все становится кристально ясно.

Поскольку мы выкидываем все мячи с четными номерами, в полночь в комнате будет бесконечно много мячей, и у всех у них будут нечетные номера. Так что мы знаем, какие именно мячи останутся в комнате в полночь: 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15…

Разумеется, количество нечетных чисел бесконечно, и все они будут в комнате. Четные числа также образуют бесконечное множество, но они окажутся снаружи.

Еще одна головоломка

Можно ли сказать, что множества нечетных чисел и четных чисел меньше, чем множество всех натуральных (то есть целых положительных) чисел?

На первый взгляд можно решить, что это утверждение должно быть справедливым. Казалось бы, логично считать, что, например, множество четных чисел должно быть в два раза меньше множества всех натуральных чисел (в которое входят числа как четные, так и нечетные).

Однако посмотрим на этот вопрос вот с какой стороны: каждому натуральному числу можно сопоставить натуральное число.

Теперь мы начинаем осознавать эту умопомрачительную концепцию: хотя в множестве четных чисел пропущено каждое второе число (по сравнению с множеством всех натуральных чисел), количество элементов обоих множеств все равно одинаково. Говорят, что это множества одинаковой мощности. В этой книге мы еще поговорим о концепции мощности множества гораздо подробнее.

А это, по сути, подводит нас к вопросу еще более глубокому: можно ли вообще сравнивать бесконечные множества чисел и спрашивать, какое из них больше? Имеют ли слова «больше» и «меньше», «крупнее» и «мельче» вообще хоть какой-нибудь смысл, когда речь идет о бесконечных величинах?

Читайте дальше!

Концепция бесконечности сложна и глубока и иногда действительно кажется невообразимой. Имеет смысл вспомнить, что говорил на эту тему Галилей:

[Это] относится к числу затруднений, происходящих вследствие того, что, рассуждая нашим ограниченным разумом о бесконечном, мы приписываем последнему свойства, известные нам по вещам конечным и ограниченным. Между тем это неправильно, так как такие свойства, как большая или меньшая величина и равенство, неприменимы к бесконечному, относительно которого нельзя сказать, что одна бесконечность больше или меньше другой или равна ей[4].